半導(dǎo)體功率器件分析儀高功率模塊設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體功率器件分析儀高功率模塊設(shè)計(jì)摘要：目前國(guó)內(nèi)針對(duì)功率半導(dǎo)體功率器件的測(cè)試，主要依靠電壓源、電流源、電壓表、電流表、晶體管測(cè)試儀等多個(gè)獨(dú)立的儀器組成的測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)比較龐大，智能化程度低，操作比較繁瑣，可靠性低，標(biāo)校困難，很難提高測(cè)試的精確度和效率。新型半導(dǎo)體功率器件分析儀集成了Windows操作系統(tǒng)，可支持準(zhǔn)靜態(tài)和中頻電容對(duì)電壓測(cè)量（CV）、O.lfA和0.5uV電流對(duì)電壓測(cè)量（IV）、脈沖生成、快速IV曲線繪制和時(shí)域測(cè)量等功能。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件分析；高功率模塊；斜坡補(bǔ)償［1］;PWM；負(fù)反饋環(huán)路控制中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1引言半導(dǎo)體功率器件分析儀屬于基礎(chǔ)性測(cè)試儀器，是一種能在自動(dòng)測(cè)試環(huán)境中為半導(dǎo)體功率器件提供偏置電壓、偏置電流，以及對(duì)半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行直流特性試驗(yàn)和測(cè)試的理想設(shè)備。其具有優(yōu)良的低電流、低電壓和集成電容測(cè)量能力、伏安特性曲線追蹤、器件故障探測(cè)、擊穿電壓測(cè)試、微小漏電流檢測(cè)等多種功能，能滿足各種半導(dǎo)體器件表征需求、特性測(cè)試及曲線追蹤與分析功能的設(shè)備。能廣泛應(yīng)用于微波和毫米波半導(dǎo)體功率器件及集成電路、砷化鎵超高速集成電路、新型光電子器件及集成電路、新型電力電子器件及模塊、高密度封裝和微組裝等領(lǐng)域，為半導(dǎo)體類產(chǎn)品提供研發(fā)和測(cè)試保障。2整機(jī)工作原理半導(dǎo)體功率器件分析儀是建立在程控開關(guān)電源技術(shù)［2和］精密示波器技術(shù)基礎(chǔ)上，整機(jī)工作原理如圖1所示。半導(dǎo)體功率器件分析儀根據(jù)參數(shù)的測(cè)試條件和測(cè)試要求，為待測(cè)的半導(dǎo)體功率器件提供合適的直流偏置信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)使其正常工作，并對(duì)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試、分析和顯示。半導(dǎo)體功率器件分析儀主要由四部分組成：a）電源激勵(lì)部分：包括程控電壓源、程控電流源、電壓表和電流表四個(gè)部分，其主要為半導(dǎo)體功率器件提供參數(shù)測(cè)試時(shí)所必需的偏置電壓或電流信號(hào)；并同時(shí)可以測(cè)試半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)生的電流和電壓信號(hào)。b） 信號(hào)激勵(lì)部分：包括信號(hào)發(fā)生器、可變衰減器和功率監(jiān)測(cè)等幾個(gè)部分，其主要為半導(dǎo)體功率器件提供參數(shù)測(cè)試時(shí)所必需的不同信號(hào)和不同功率的激勵(lì)信號(hào)；并同時(shí)監(jiān)測(cè)輸出到待測(cè)半導(dǎo)體功率器件上的功率。c） 信號(hào)測(cè)量部分：包括放大器、濾波器、AD轉(zhuǎn)換、測(cè)試通道切換和探測(cè)器象限切換等幾個(gè)部分其主要對(duì)半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)生的電信號(hào)，進(jìn)行放大濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將采集到數(shù)字信號(hào)送主控機(jī)進(jìn)行處理，得到所需的測(cè)試數(shù)據(jù)；同時(shí)其還為參數(shù)測(cè)試夾具提供通道切換和測(cè)試象限切換控制信號(hào)，以及所需的電源。d） 測(cè)試夾具部分：其主要完成待測(cè)半導(dǎo)體功率器件的安裝、信號(hào)的耦合以及和主機(jī)之間的電氣連接，并同時(shí)可對(duì)半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)生的微弱電信號(hào)和高速電信號(hào)進(jìn)行I/V變換和前級(jí)放大處理。3高功率模塊設(shè)計(jì)半導(dǎo)體分析儀整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，即根據(jù)半導(dǎo)體功率器件的電壓、電流、功率等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)成不同的電源模塊、衰減模塊和測(cè)量模塊，具有10插槽配置，可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需求在插槽中插入相應(yīng)的模塊，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。其中電源及測(cè)試模塊（SMU）包括高功率模塊、中功率模塊、大電流模塊、中電流模塊、高壓模塊、高分辨率模塊等。限于篇幅，本文對(duì)高功率模塊（HPSMU）的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。電源激勵(lì)部分電壓檢測(cè)電流檢測(cè)程控恒壓源、王控機(jī)功率檢測(cè)信號(hào)發(fā)生器信號(hào)衰減程控恒流源電測(cè)量信號(hào)—電測(cè)量信號(hào)—電偏置信號(hào)》激勵(lì)信號(hào)?測(cè)試夾具晶體管信號(hào)測(cè)量部分測(cè)試象限切換-微弱電信號(hào)I/V

變換及前放電控制信號(hào)■電控制信號(hào)*高速電信號(hào)I/V

變換及前放圖1整機(jī)工作原理高功率模塊具備半導(dǎo)體功率器件的特性測(cè)試功能，主要通過PCI總線與主控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體功率器件的電激勵(lì)功能和電測(cè)量功能。相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)下：最大驅(qū)動(dòng)電壓：±200V最大驅(qū)動(dòng)電流：±1A最小驅(qū)動(dòng)電壓：±2V最小驅(qū)動(dòng)電流：土InA電壓測(cè)量分辨率：2uV電流測(cè)量分辨率：10fA測(cè)量通道24位電壓AD轉(zhuǎn)換器24位電流AD轉(zhuǎn)換器測(cè)量通道24位電壓AD轉(zhuǎn)換器24位電流AD轉(zhuǎn)換器源通道一雙控制環(huán)路16位電壓DA轉(zhuǎn)換器-16位電壓DA轉(zhuǎn)換器誤差4放大器I最大功率：20W半導(dǎo)體分析儀主控機(jī)可以采集這些參數(shù)繪制主控機(jī)微處理器待測(cè)件的I-V曲線，用戶可以根據(jù)I-V曲線了解待測(cè)件的相關(guān)電氣特性。在進(jìn)行半導(dǎo)體功率器件參數(shù)測(cè)試過程中，必須保證程控恒壓源、恒流源的高度穩(wěn)定性。為此，高功率模塊采用了雙控制環(huán)路的方法，使用FPGA［控制，實(shí)現(xiàn)恒壓源或恒流源的穩(wěn)定輸出。當(dāng)采用恒壓源作為半導(dǎo)體功率器件激勵(lì)源時(shí)恒流負(fù)反饋控制環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，利用恒壓負(fù)反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)恒壓控制；相反，當(dāng)采用恒流源作為半導(dǎo)體功率器件激勵(lì)源時(shí)，恒壓負(fù)反饋控制環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，利用恒流負(fù)反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)恒流控制。其具體原理框圖如圖2所示。電壓負(fù)反饋放大器

電流負(fù)反饋放大器信號(hào)處理PWM功率

放大器隔離

變壓器整流

濾波器取樣電阻輸岀+輸岀圖2程控恒壓恒流源原理框圖由于高功率模塊對(duì)測(cè)試電壓和測(cè)試電流的分辨率要求很高，經(jīng)過理論計(jì)算最低需要18位AD。經(jīng)過了大量的理論研究和分析，并綜合考慮系統(tǒng)噪聲、AD的低端數(shù)據(jù)丟失等因素的影響，最終選擇了

AD公司的24位AD轉(zhuǎn)換器，其精度可以達(dá)到0.01%，溫度系數(shù)可以達(dá)到10ppm,此外，專門采用了埋入工藝制造的掩埋齊納二極管基準(zhǔn)電壓源作為AD和DA轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)，達(dá)到所要求的分辨率，使得

本模塊在恒壓源或恒流源狀態(tài)下具備精確的電壓和電流實(shí)時(shí)測(cè)試功能。4全范圍大動(dòng)態(tài)控制調(diào)整及斜坡補(bǔ)償技術(shù)高功率模塊開關(guān)電源根據(jù)輸出電壓和負(fù)載變化，通過反饋閉環(huán)回路［4］調(diào)整開關(guān)管的工作占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，反饋閉環(huán)回路是否穩(wěn)定決定了高壓電源輸出電壓的穩(wěn)定度和工作的可靠性。為使分析方便，將高壓電源反饋電路等效成圖3。Buck電流饋電全橋變換器中的全橋轉(zhuǎn)換電路和高壓變壓器并未承擔(dān)脈寬調(diào)制的功能，可視為一增益固定的直流變壓器。反饋回路內(nèi)有電壓回路和電流回路兩個(gè)控制回路，其中PWM控制策略采用平均電流模式，它引入了高增益的電流誤差放大器，使電流環(huán)的增益帶寬特性能夠由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)修正為最佳特性，所以具有很高的抗干擾能力，并且斜坡補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)，在連續(xù)狀態(tài)和非連續(xù)狀態(tài)均能正常工作。電壓-轉(zhuǎn)化V圖3高壓電源反饋環(huán)路控制電路當(dāng)沒有斜坡補(bǔ)償時(shí)，占空比在較大與較小時(shí)的平均電流有明顯的誤差值，如圖4所示，平均電流IAVG1、IAVG2；若加上斜坡補(bǔ)償，設(shè)定鋸齒波補(bǔ)償斜率（-m）剛好略小于電感電流下降斜率（m）2的50%,即-m〈0.5m，則可將電流【設(shè)2 AVG1 AVG2計(jì)在近似相同值上，如圖5，經(jīng)過斜坡補(bǔ)償后，電感電流波形的平均值已相同。S:電壓謂圭：A~L:電感電■流俁差-■圄朝1D■］4如曰泳；GfC:危疑2匸：）平肉電流；辺：匿郭2Q:誤差；圖4無斜坡補(bǔ)償時(shí)的電感斜率波形平均電流模式的實(shí)現(xiàn)如圖3所示，具有次級(jí)電壓反饋與初級(jí)電流反饋兩個(gè)反饋環(huán)路，兩個(gè)環(huán)路有相同的交越頻率和負(fù)載相應(yīng)特性［5］。圖中R's將電感電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)（V）。該rs信號(hào)與電壓反饋環(huán)路誤差信號(hào)分別送入電流誤差Ve：電壓誤差；-m：補(bǔ)償斜率°mi:電感電疣上升斜率；m2：電感電疣下降斜率；IAyG:周期1（J）與周期平均電疣圖5有斜坡補(bǔ)償時(shí)的電感斜率波形放大器（CA）,得到電流誤差信號(hào)電壓（V）。此信CA號(hào)再與鋸齒波V相比較，產(chǎn)生PWM信號(hào)來控制降壓S轉(zhuǎn)換器開關(guān)。這種方式可以使電流反饋的誤差信號(hào)較快于電壓反饋誤差信號(hào)，避免傳統(tǒng)峰值電流控制低頻增益太小的缺點(diǎn)。工作占空比（D）在50%?90%

之間，使電感電流具有充分時(shí)間儲(chǔ)能放能，并在1/2f頻率時(shí)確?；芈吩鲆嫘∮?，避免次諧波振蕩不穩(wěn)定。5結(jié)論100m200m300m400m500m600m700m800mVf(V) lOOm/drv為了驗(yàn)證高功率模塊的作用，在室溫25°C環(huán)境下，將肖特基二極管mbrs320放入測(cè)試夾具中，連接分析儀，分別對(duì)其進(jìn)行正向輸出特性和反向漏電流特性測(cè)試。圖6為正向電壓測(cè)試，正向電壓加載到200mV時(shí)，二極管開始有微弱電流導(dǎo)通，電壓加載到100m200m300m400m500m600m700m800mVf(V) lOOm/drv器件的測(cè)試要求。此外，高功率模塊配合其他模塊還能實(shí)現(xiàn)各種三極管、晶閘管以及相關(guān)集成電路等半導(dǎo)體器件的測(cè)試。參考文獻(xiàn)徐靜平，王虎，鐘德剛?一種用于PWM變換器的斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007,35(9):66-69裴云慶，楊旭，王兆安?開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010田耕，徐文波，胡彬，XilinxISEDesignSuit10.XFPGA開發(fā)指南.人民郵電出版社.2008沙占友，于國(guó)慶．特種開關(guān)電源關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)方案[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012,15(4):60-64王桂陽(yáng)，李敏遠(yuǎn)?高壓直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].電力電子技術(shù)，2012，46(10):96-99.圖6正向輸出特性MARKER4.0000000000E+001VC5.0006100000E-005